Pat cilvēks, kuram neinteresē kosmoss, nekad nav redzējis filmu par kosmosa ceļojumiem vai lasījis par tādām lietām grāmatās. Gandrīz visos šādos darbos cilvēki staigā pa kuģi, normāli guļ, nerodas problēmas ar ēšanu. Tas nozīmē, ka šiem – izdomātajiem – kuģiem ir mākslīgā gravitācija. Lielākā daļa skatītāju to uztver kā kaut ko pilnīgi dabisku, taču tā nebūt nav.
Mākslīgā gravitācija
Tas ir gravitācijas izmaiņu nosaukums (jebkurā virzienā), kas mums ir pazīstams, pielietojot dažādas metodes. Un tas tiek darīts ne tikai fantastiskos darbos, bet arī ļoti reālās zemes situācijās, visbiežāk eksperimentiem.
Teorētiski mākslīgās gravitācijas radīšana neizskatās tik sarežģīta. Piemēram, to var atjaunot ar inerces, precīzāk, centrbēdzes spēka palīdzību. Vajadzība pēc šīs jaudas neradās vakar – tas notika uzreiz, tiklīdz cilvēks sāka sapņot par ilgstošiem kosmosa lidojumiem. Radīšanamākslīgā gravitācija kosmosā ļaus izvairīties no daudzām problēmām, kas rodas, ilgstoši uzturoties bezsvara stāvoklī. Kosmonautu muskuļi vājina, kauli kļūst vājāki. Mēnešiem ceļojot šādos apstākļos, var atrofēt dažus muskuļus.
Tādējādi mūsdienās mākslīgās gravitācijas radīšana ir ārkārtīgi svarīgs uzdevums, kosmosa izpēte bez šīs prasmes ir vienkārši neiespējama.
Materiāli
Pat tie, kas fiziku zina tikai skolas mācību programmas līmenī, saprot, ka gravitācija ir viens no mūsu pasaules pamatlikumiem: visi ķermeņi mijiedarbojas viens ar otru, piedzīvojot savstarpēju pievilkšanos/atgrūšanos. Jo lielāks ķermenis, jo lielāks ir tā pievilkšanas spēks.
Mūsu realitātei Zeme ir ļoti masīvs objekts. Tāpēc bez izņēmuma visus ķermeņus viņai tas piesaista.
Mums tas nozīmē brīvā kritiena paātrinājumu, ko parasti mēra g, kas ir vienāds ar 9,8 metriem kvadrātsekundē. Tas nozīmē, ka, ja mums nebūtu atbalsta zem kājām, mēs kristu ar ātrumu, kas katru sekundi palielinās par 9,8 metriem.
Tā, tikai pateicoties gravitācijai, spējam normāli stāvēt, krist, ēst un dzert, saprast, kur augšā, kur lejā. Ja gravitācija pazudīs, mēs būsim nulles gravitācijā.
Astronauti, kuri atrodas kosmosā planēšanas stāvoklī - brīvais kritiens, šī parādība ir īpaši pazīstama.
Teorētiski zinātnieki zina, kā radīt mākslīgo gravitāciju. Pastāvvairākas metodes.
Lielā Mise
Loģiskākais variants ir izveidot kosmosa kuģi tik lielu, lai tam būtu mākslīgā gravitācija. Uz kuģa būs iespējams justies komfortabli, jo orientācija kosmosā netiks zaudēta.
Diemžēl šī metode ar mūsdienu tehnoloģiju attīstību ir nereāla. Lai uzbūvētu šādu objektu, nepieciešams pārāk daudz resursu. Turklāt, lai to paceltu, būs nepieciešams neticami daudz enerģijas.
Paātrināt
Šķiet, ka, ja vēlaties sasniegt g, kas vienāds ar zemi, jums vienkārši jāpiešķir kuģim plakana (platformas) forma un jāliek tam pārvietoties perpendikulāri plaknei ar vēlamo paātrinājumu. Tādā veidā tiks iegūta mākslīgā gravitācija un ideāla.
Tomēr realitāte ir daudz sarežģītāka.
Pirmkārt, ir vērts apsvērt degvielas jautājumu. Lai stacija nepārtraukti paātrinātu, ir nepieciešams nepārtrauktās barošanas avots. Pat ja pēkšņi parādās dzinējs, kas neizstumj vielu, enerģijas nezūdamības likums paliks spēkā.
Otrā problēma ir pati ideja par pastāvīgu paātrinājumu. Saskaņā ar mūsu zināšanām un fiziskajiem likumiem nav iespējams paātrināt līdz bezgalībai.
Turklāt šādi transportlīdzekļi nav piemēroti pētniecības misijām, jo tiem pastāvīgi jāpaātrina – jālido. Viņš nevarēs apstāties, lai pētītu planētu, viņš pat nespēs lēnām tai aplidot - viņam jāpaātrina.
TātadTādējādi kļūst skaidrs, ka šāda mākslīgā gravitācija mums vēl nav pieejama.
Karuselis
Ikviens zina, kā karuseļa griešanās ietekmē ķermeni. Tāpēc mākslīgā gravitācijas ierīce pēc šī principa šķiet visreālākā.
Viss, kas atrodas karuseļa diametrā, mēdz no tā izkrist ar ātrumu, kas aptuveni vienāds ar griešanās ātrumu. Izrādās, ka uz ķermeni iedarbojas spēks, kas vērsts pa rotējošā objekta rādiusu. Tas ir ļoti līdzīgs gravitācijai.
Tātad, jums ir nepieciešams kuģis, kam ir cilindriska forma. Tajā pašā laikā tai jāgriežas ap savu asi. Starp citu, mākslīgā gravitācija uz kosmosa kuģa, kas izveidota pēc šī principa, bieži tiek rādīta zinātniskās fantastikas filmās.
Mucas formas kuģis, griežoties ap garenisko asi, rada centrbēdzes spēku, kura virziens atbilst objekta rādiusam. Lai aprēķinātu iegūto paātrinājumu, spēks jāsadala ar masu.
Cilvēkiem, kas zina fiziku, nebūs grūti to aprēķināt: a=ω²R.
Šajā formulā aprēķina rezultāts ir paātrinājums, pirmais mainīgais ir mezgla ātrums (mērīts radiānos sekundē), otrais ir rādiuss.
Saskaņā ar to, lai iegūtu parasto g, ir pareizi jāsavieno kosmosa transporta leņķiskais ātrums un rādiuss.
Šī problēma ir aplūkota tādās filmās kā "Intersol", "Babylon 5", "2001: A Space Odyssey" un tamlīdzīgi. Visos šajos gadījumosmākslīgā gravitācija ir tuvu Zemes brīvā kritiena paātrinājumam.
Lai cik laba būtu ideja, to īstenot ir diezgan grūti.
Karuseļa metodes problēmas
Visredzamākā problēma ir izcelta filmā A Space Odyssey. "Kosmiskā nesēja" rādiuss ir aptuveni 8 metri. Lai iegūtu paātrinājumu 9,8, rotācijai jānotiek ar ātrumu aptuveni 10,5 apgriezieni katru minūti.
Pie norādītajām vērtībām izpaužas “Koriolisa efekts”, kas sastāv no tā, ka dažādos attālumos no grīdas darbojas dažādi spēki. Tas ir tieši atkarīgs no leņķiskā ātruma.
Izrādās, ka tiks radīta mākslīgā gravitācija kosmosā, bet pārāk strauja korpusa rotācija radīs problēmas ar iekšējo ausu. Tas savukārt izraisa nelīdzsvarotību, problēmas ar vestibulāro aparātu un citas līdzīgas problēmas.
Šīs barjeras parādīšanās liecina, ka šāds modelis ir ārkārtīgi neveiksmīgs.
Var mēģināt iet no pretējās puses, kā to darīja romānā "Pasaules gredzens". Šeit kuģis ir izgatavots gredzena formā, kura rādiuss ir tuvu mūsu orbītas rādiusam (apmēram 150 miljoni km). Ar šo izmēru tā griešanās ātrums ir pietiekams, lai ignorētu Koriolisa efektu.
Varētu pieņemt, ka problēma ir atrisināta, taču tā nebūt nav. Fakts ir tāds, ka šīs struktūras pilnīga apgriešana ap savu asi aizņem 9 dienas. Tas ļauj pieņemt, ka slodzes būs pārāk lielas. Laikonstrukcija tos izturēja, vajadzīgs ļoti izturīgs materiāls, kura šodien mūsu rīcībā nav. Turklāt problēma ir materiāla daudzums un pats būvniecības process.
Līdzīgas tēmas spēlēs, kā filmā "Babylon 5", šīs problēmas kaut kā tiek atrisinātas: griešanās ātrums ir diezgan pietiekams, Koriolisa efekts nav būtisks, hipotētiski ir iespējams izveidot šādu kuģi.
Tomēr pat šādām pasaulēm ir savs trūkums. Viņa vārds ir impulss.
Kuģis, griežoties ap savu asi, pārvēršas par milzīgu žiroskopu. Kā zināms, ir ārkārtīgi grūti likt žiroskopam novirzīties no ass leņķiskā impulsa dēļ. Ir svarīgi, lai tā daudzums neizietu no sistēmas. Tas nozīmē, ka šim objektam būs ļoti grūti noteikt virzienu. Tomēr šo problēmu var atrisināt.
Problēmu risināšana
Mākslīgā gravitācija kosmosa stacijā kļūst pieejama, kad palīgā nāk "O'Nīla cilindrs". Lai izveidotu šo dizainu, ir nepieciešami identiski cilindriski kuģi, kas ir savienoti pa asi. Viņiem jāgriežas dažādos virzienos. Šīs montāžas rezultāts ir nulle leņķiskais impulss, tāpēc nevajadzētu būt grūtībām norādīt kuģim vēlamo virzienu.
Ja iespējams uztaisīt kuģi ar aptuveni 500 metru rādiusu, tad tas darbosies tieši tā, kā vajadzētu. Tajā pašā laikā mākslīgā gravitācija kosmosā būs diezgan ērta un piemērota ilgiem lidojumiem uz kuģiem vai pētniecības stacijām.
Kosmosa inženieri
Kā izveidot mākslīgo gravitāciju, spēles veidotāji zina. Tomēr šajā fantāziju pasaulē gravitācija nav savstarpēja ķermeņu pievilkšanās, bet gan lineārs spēks, kas paredzēts, lai paātrinātu objektus noteiktā virzienā. Pievilcība šeit nav absolūta, tā mainās, kad avots tiek novirzīts.
Mākslīgā gravitācija kosmosa stacijā tiek radīta, izmantojot īpašu ģeneratoru. Tas ir vienmērīgs un vienāds ģeneratora zonā. Tātad reālajā pasaulē, ja jūs notrieks kuģis, kuram ir uzstādīts ģenerators, jūs tiktu pievilkts pie korpusa. Tomēr spēlē varonis kritīs, līdz viņš pametīs ierīces perimetru.
Mūsdienās mākslīgā gravitācija kosmosā, ko rada šāda ierīce, cilvēcei nav pieejama. Tomēr pat sirmi izstrādātāji nebeidz par to sapņot.
Sfēriskais ģenerators
Šī ir reālistiskāka aprīkojuma versija. Uzstādot, gravitācijai ir virziens uz ģeneratoru. Tas dod iespēju izveidot staciju, kuras gravitācija būs vienāda ar planetāro.
Centrifūga
Mūsdienās mākslīgā gravitācija uz Zemes ir sastopama dažādās ierīcēs. Lielākoties tie ir balstīti uz inerci, jo šo spēku mēs izjūtam līdzīgi kā gravitācijas efektu - ķermenis neatšķir, kas izraisa paātrinājumu. Piemēram: cilvēks, kas kāpj liftā, izjūt inerces efektu. Ar fiziķa acīm: lifta pacelšana palielina brīvā kritiena paātrinājumu arī automašīnas paātrinājumu. Pēc atgriešanāskajītes līdz izmērītai kustībai "pieaugums" pazūd, atgriežot ierastās sajūtas.
Zinātniekus jau sen interesē mākslīgā gravitācija. Šiem nolūkiem centrifūgu izmanto visbiežāk. Šī metode ir piemērota ne tikai kosmosa kuģiem, bet arī zemes stacijām, kurās nepieciešams pētīt gravitācijas ietekmi uz cilvēka ķermeni.
Studējiet uz Zemes, piesakieties…
Lai gan gravitācijas izpēte sākās no kosmosa, tā ir ļoti ikdienišķa zinātne. Arī mūsdienās sasniegumi šajā jomā ir atraduši savu pielietojumu, piemēram, medicīnā. Zinot, vai uz planētas ir iespējams radīt mākslīgo gravitāciju, to var izmantot, lai ārstētu motora aparāta vai nervu sistēmas problēmas. Turklāt šī spēka izpēte galvenokārt tiek veikta uz Zemes. Tas ļauj astronautiem veikt eksperimentus, vienlaikus paliekot ārstu uzmanībā. Cita lieta ir mākslīgā gravitācija kosmosā, tur nav cilvēku, kas varētu palīdzēt astronautiem neparedzētas situācijas gadījumā.
Ņemot vērā kopējo bezsvara stāvokli, nevar ņemt vērā satelītu zemā Zemes orbītā. Šos objektus, lai arī nelielā mērā, ietekmē gravitācija. Šādos gadījumos radīto smaguma spēku sauc par mikrogravitāciju. Īstu gravitāciju var piedzīvot tikai aparātā, kas kosmosā lido ar nemainīgu ātrumu. Tomēr cilvēka ķermenis šo atšķirību nejūt.
Jūs varat izjust bezsvara stāvokli tāllēkšanas laikā (pirms nojumes atvēršanas) vai lidmašīnas paraboliskās nolaišanās laikā. Tādi eksperimentibieži iestudēts ASV, bet lidmašīnā šī sajūta ilgst tikai 40 sekundes - tas ir pārāk īss pilnam pētījumam.
PSRS tālajā 1973. gadā viņi zināja, vai ir iespējams radīt mākslīgo gravitāciju. Un ne tikai radīja, bet arī kaut kādā veidā mainīja. Spilgts piemērs mākslīgai gravitācijas samazinājumam ir sausā iegremdēšana, iegremdēšana. Lai sasniegtu vēlamo efektu, uz ūdens virsmas jāuzliek blīva plēve. Cilvēks tiek novietots virs tā. Zem ķermeņa svara ķermenis nogrimst zem ūdens, augšā paliek tikai galva. Šis modelis demonstrē zemo gravitācijas atbalstu, kas atrodams okeānā.
Nav nepieciešams doties kosmosā, lai sajustu bezsvara stāvokļa pretēja spēka - hipergravitācijas - ietekmi. Paceļoties un nolaižoties kosmosa kuģim, centrifūgā var ne tikai sajust pārslodzi, bet arī to izpētīt.
Gravitācijas apstrāde
Gravitācijas fizika, cita starpā, pēta bezsvara stāvokļa ietekmi uz cilvēka ķermeni, cenšoties samazināt sekas. Tomēr liels skaits šīs zinātnes sasniegumu var būt noderīgi parastajiem planētas iedzīvotājiem.
Ārsti liek lielas cerības uz pētījumiem par muskuļu enzīmu uzvedību miopātijas gadījumā. Tā ir nopietna slimība, kas izraisa priekšlaicīgu nāvi.
Ar aktīviem fiziskiem vingrinājumiem vesela cilvēka asinīs nonāk liels daudzums enzīma kreatinofosfokināzes. Šīs parādības iemesls nav skaidrs, iespējams, slodze iedarbojas uz šūnas membrānu tā, ka tā"perforē". Pacienti ar miopātiju iegūst tādu pašu efektu bez fiziskās slodzes. Kosmonautu novērojumi liecina, ka bezsvara stāvoklī aktīvā enzīma plūsma asinīs ir ievērojami samazināta. Šis atklājums liecina, ka iegremdēšanas izmantošana samazinās to faktoru negatīvo ietekmi, kas izraisa miopātiju. Pašlaik notiek izmēģinājumi ar dzīvniekiem.
Dažu slimību ārstēšana jau šodien tiek veikta, izmantojot gravitācijas pētījumos iegūtos datus, tostarp mākslīgos. Piemēram, cerebrālo trieku, insultu, Parkinsona slimību ārstē, izmantojot slodzes tērpus. Pētījums par atbalsta pozitīvo ietekmi - pneimatiskais apavis ir gandrīz pabeigts.
Vai lidosim uz Marsu?
Jaunākie astronautu sasniegumi ļauj cerēt uz projekta realitāti. Ir pieredze medicīniskā atbalsta sniegšanai personai ilgstošas uzturēšanās laikā prom no Zemes. Arī izpētes lidojumi uz Mēnesi, uz kuriem gravitācijas spēks ir 6 reizes mazāks nekā mūsējam, ir devuši daudz labumu. Tagad astronauti un zinātnieki izvirza sev jaunu mērķi - Marsu.
Pirms stāties rindā pēc biļetes uz Sarkano planētu, jums jāzina, ko ķermenis sagaida jau pirmajā darba posmā – ceļā. Vidēji ceļš uz tuksneša planētu prasīs pusotru gadu – aptuveni 500 dienas. Ceļā būs jāpaļaujas tikai uz saviem spēkiem, palīdzību vienkārši nav kur gaidīt.
Spēku mazinās daudzi faktori: stress, starojums, magnētiskā lauka trūkums. Vissvarīgākais ķermeņa pārbaudījums ir gravitācijas izmaiņas. Ceļojuma laikā cilvēks "iepazīstas" arvairāki gravitācijas līmeņi. Pirmkārt, tās ir pārslodzes pacelšanās laikā. Tad - bezsvara stāvoklis lidojuma laikā. Pēc tam galamērķa hipogravitācija, jo gravitācija uz Marsa ir mazāka par 40% no Zemes.
Kā tikt galā ar bezsvara stāvokļa negatīvajām sekām ilgā lidojumā? Cerams, ka attīstība mākslīgās gravitācijas radīšanas jomā palīdzēs atrisināt šo problēmu tuvākajā nākotnē. Eksperimenti ar žurkām, kas ceļo ar Kosmos-936, liecina, ka šis paņēmiens neatrisina visas problēmas.
OS pieredze liecina, ka treniņu kompleksu izmantošana, kas spēj noteikt nepieciešamo slodzi katram astronautam individuāli, var dot organismam daudz lielāku labumu.
Līdz šim tiek uzskatīts, ka uz Marsu lidos ne tikai pētnieki, bet arī tūristi, kuri vēlas izveidot koloniju uz Sarkanās planētas. Viņiem, vismaz sākumā, bezsvara stāvokļa sajūtas atsvērs visus ārstu argumentus par briesmām, kas pastāv, ilgstoši atrodoties šādos apstākļos. Tomēr viņiem būs nepieciešama palīdzība arī pēc dažām nedēļām, tāpēc ir tik svarīgi atrast veidu, kā kosmosa kuģī radīt mākslīgo gravitāciju.
Rezultāti
Kādus secinājumus var izdarīt par mākslīgās gravitācijas radīšanu kosmosā?
Starp visām pašlaik izskatītajām iespējām rotējošā struktūra izskatās visreālākā. Tomēr ar pašreizējo fizisko likumu izpratni tas nav iespējams, jo kuģis nav dobs cilindrs. Tā iekšpusē ir pārklāšanās, kas traucē realizēt idejas.
Turklāt kuģa rādiusam jābūt tādamliels, lai Koriolisa efektam nebūtu būtiskas ietekmes.
Lai vadītu ko līdzīgu, nepieciešams iepriekš minētais O'Nīla cilindrs, kas dos iespēju vadīt kuģi. Šajā gadījumā palielinās iespēja izmantot līdzīgu dizainu starpplanētu lidojumiem, nodrošinot apkalpei ērtu gravitācijas līmeni.
Pirms cilvēcei izdodas īstenot savus sapņus, es vēlētos redzēt zinātniskajā fantastikā nedaudz vairāk reālisma un vēl vairāk zināšanu par fizikas likumiem.
